Основы технической диагностики нефтегазового оборудования
..pdfных луп дополнительно снабжаются осветителями от пальчиковых батареек.
Микроскоп является сложным оптическим многолинзовым уст ройством для наблюдения элементов, не видимых невооруженным глазом. Микроскоп имеет регулировку оптических свойств и дает возможность получить качественное изображение с увеличением до 2000х. Микроскопы с большим увеличением являются, как правило, стационарными. Для целей диагностики при визуально-оптическом контроле применяют переносные микроскопы, имеющие упрощен ную конструкцию и устанавливаемые непосредственно на контроли руемый объект. Их увеличение обычно не более 100х, а габаритные размеры и масса много меньше стационарных микроскопов.
Как для луп с большим увеличением, так и для микроскопов глу бина резкости уменьшается, проведение контроля с их помощью ус ложняется и требует больше времени для фокусировки изображения (поиска расстояния наилучшего видения). Поэтому микроскопы ис пользуют в основном для определения характера и измерения дефек тов, обнаруженных ранее каким-либо другим методом контроля.
Основными параметрами микроскопов, определяющими область их применения наряду с увеличением являются: величина поля зре ния; рабочее расстояние микроскопа (от объектива до предмета); цена деления шкалы окулярного микроскопа (~ 0,01...0,005 мм); на личие, марка и мощность осветителя; габариты и масса прибора.
Если доступ к контролируемой части изделия затруднен или из делие находится дальше расстояния наилучшего зрения, для прове дения визуально-оптического контроля применяют телескопы, зри тельные трубы, бинокли, перископы и другие оптические приборы. Для контроля внутренних поверхностей и обнаружения дефектов в труднодоступных местах используют промышленные эндоскопы. В нефтегазовой промышленности применяют следующие типы про мышленных эндоскопических систем: жесткие эндоскопы (бороскопы), гибкие оптоволоконные эндоскопы, видеоэндоскопы. Они со стоят из источника света для освещения объекта (блока подсветки), передающей оптической системы, насадки или дистального конца, изменяющих направление и размеры поля зрения прибора, объекти ва с окулярами для визуального наблюдения и подключения фотоили видеокамеры, механизма фокусировки объектива и управления насадкой или артикуляции дистального конца.
Конструктивно жесткие эндоскопы представляют собой линзо вую конструкцию, при этом оптическая передающая система смон тирована внутри прямой трубки соответствующей длины. Жесткие эндоскопы имеют рабочую длину до 1500 мм и диаметры рабочей части 1,7; 2; 2,7; 4; 6; 8 и 10 мм. Оптическая трубка эндоскопов мо жет вращаться на 360°. Направление обзора может быть прямым, а также составлять с осью эндоскопа угол 0, 30, 45, 70, 90 и 110°. Такие эндоскопы пригодны для работы как в воздушной среде, так и в сре де нефтепродуктов, гидравлических жидкостей, большинства про
мышленных растворителей, а также в воде. Основными недостатка ми жестких эндоскопов являются их большие габаритные размеры и невозможность контроля криволинейных внутренних поверхностей.
Эти недостатки устранены в гибких эндоскопах, где для передачи света и изображения используются волоконно-оптические световоды и жгуты из них. Элементарным волоконным световодом является тонкая нить диаметром 10...20 мкм, выполненная из двух оптически прозрачных слоев круглого поперечного сечения: сердечника и обо лочки толщиной 1...3 мкм. Оболочка изготовлена из стекла с мень шим показателем преломления, чем сердечник. За счет этого лучи света, попадая в сердечник и испытывая полное отражение от его границы с оболочкой, передаются вдоль световода.
Для передачи световых потоков или изображений, элементарные световоды объединяют в жгуты, помещенные в специальные чехлыоболочки. Жгуты бывают двух видов: регулярные и осветительные. В регулярных жгутах волокна световодов в поперечном сечении укла дываются упорядоченно так, что на входном и выходном торцах жгута их расположение одинаково, что позволяет переносить изображение без искажений. Осветительные жгуты могут иметь произвольное рас положение волокон и предназначены для передачи света, структура которого по поперечному сечению однородна или не имеет значения.
Для расширения поля обзора оптоволоконных эндоскопов они обычно снабжаются дистальными концами с возможностью их арти куляции (изгиба дистального конца) в двух или четырех плоскостях, что позволяет наряду с переменным увеличением работать с раз ными углами и направлениями обзора. В качестве примера на рис. 3.2 приведен общий вид оптоволоконного эндоскопа и четырех сторонняя схема артикуляции дистального конца.
Гибкие оптоволоконные эндоскопы имеют диаметр зонда 2,4... 12,4 мм и длину рабочей части 0,5...3 м. При большей длине ра бочей части из-за многократного переотражения от границ сердеч ника с оболочкой происходит интенсивное затухание света при пере даче его по световоду.
В отличие от гибких оптоволоконных эндоскопов дистальный конец видеоэндоскопов (гибких телевизионных эндоскопов) осна щается объективом и ПЗС-матрицей с высокой разрешающей спо собностью. Система передачи изображения эндоскопов помимо объ ектива и ПЗС-матрицы включает также кабель передачи сигнала, блок преобразования сигнала и видеомонитор с функцией измере ния. Подсветка зоны осмотра осуществляется с помощью сверхьярких светодиодов, за счет чего видеоэндоскопы изготовляются с дли ной рабочей части до 30 м. Дополнительно к видеоэндоскопам по средством оптико-механического адаптера могут подключаться видеокамеры или цифровые фотоаппараты, позволяющие докумен тировать результаты контроля.
Для измерения больших дефектов, линейных размеров объекта и отклонения его от заданной геометрической формы используют гео дезические оптико-электронные и лазерные приборы. В процессе
а |
б |
Рис. 3.2. Волоконно-оптический эндоскоп:
а — общий вид эндоскопа с блоком подсветки; б — четырехсторонняя схема артикуляции дистального конца
технической диагностики чаще всего применяют дальномеры, ниве лиры, теодолиты и тахеометры (рис. 3.3).
Дальномер служит для определения расстояния до заданной цели. Первые оптические дальномеры имели два объектива, разне сенные на некоторое расстояние между собой. С помощью системы
а |
б |
в |
Рис. |
3.3. Геодезические оптико-электронные приборы: |
|
а — цифровой нивелир DiNi 22; б — электронный теодолит DJD5-1; в — электронный тахеометр DTM-352W
линз и зеркал изображения объекта контроля от разных объективов передавались в один окуляр и накладывались друг на друга. Изменяя фокусировку, раздвоенное изображение совмещалось в единое и по шкале отсчета определялось расстояние до объекта. Для повышения точности расстояние между объективами (база) принималось макси мально большим, что увеличивало габариты и массу дальномеров и делало их громоздкими. Однако даже увеличение базы между объек тивами не обеспечивало требуемой точности измерения.
В настоящее время вместо оптических дальномеров повсеместно используют компактные лазерные дальномеры. Это стало возможным с созданием малогабаритных лазеров, при этом точность измерения дальномеров повысилась на несколько порядков. Принцип действия лазерного дальномера достаточно прост. Оператор, направив дально мер на цель, нажатием кнопки активирует лазер, который посылает луч в сторону цели. Специальное приемное устройство дальномера улавливает отраженный от цели луч. Дальномер имеет счетчик интер валов времени (электронные часы), который включается в момент вы хода луча из дальномера и выключается в момент его возвращения. По известной скорости света и времени прохождения луча вперед и об ратно определяется расстояние до цели. Наиболее совершенные лазер ные дальномеры, применяемые в спутниковых системах навигации, оснащаются счетчиками интервалов времени с точностью Г10~9 с (та кая единица времени называется наносекундой) и даже точнее. Это позволяет определять расстояние с точностью до 0,2 • 10-5 %. Стан дартные лазерные «рулетки» и дальномеры, используемые в комплекте с вехами или штативами с уголковыми отражателями, имеют точность, достигающую 1,5 мм на 100 м. Широкое распространение в последние годы получили дальномеры, позволяющие измерять расстояние непо средственно до объекта без отражателя. В связи с зависимостью точно сти измерений от свойств отражающей поверхности и надежности фиксации точки измерения дальность таких приборов не превышает 100... 150 м, а точность лежит в пределах 10...20 мм.
Нивелиром называют оптический прибор для определения вы сотных отметок всего объекта или его части. Теодолит — более уни версальный прибор, он позволяет, наряду с высотными, определять также угловые отметки в вертикальной и горизонтальной плоско стях. Такие приборы в процессе диагностики применяют как для ус тановления отклонений от заданной геометрической формы локаль ного участка диагностируемой конструкции, так и отклонения всего объекта от проектного положения. В последнем случае производят геодезическую съемку объекта (нефтепровода, нефтехранилища и др.) с определением высотных, угловых и координатных отметок.
Основными недостатками оптических нивелиров и теодолитон являются высокая трудоемкость выполнения работ и низкая точ ность измерений. Эти проблемы устраняются с появлением нового поколения геодезических приборов — цифровых. Принцип их дейст вия и возможности рассмотрим на примере цифрового нивелира DiNi 22 (рис. 3.3, а), производимого фирмой «Carl Zeiss». Такой ни-
64
велир автоматически считывает величину высотных отметок со спе циальной кодовой рейки и сохраняет их в память. В отличие от обычных шашечных геодезических реек, на поверхности специаль ных реек нанесен штрих-код, представляющий собой чередующиеся светлые и черные горизонтальные полоски различной толщины (аналогично штрих-коду на упаковках с продуктами для считывания информации о товаре кассовыми аппаратами в магазинах). Отсчеты по кодовым рейкам могут браться с точностью до 0,01 мм, при этом одновременно производится дальномерный отсчет. Данные измере ний выдаются на дисплей и записываются во внутреннюю память прибора, что исключает необходимость в трудоемком заполнении полевых журналов. Паспортная точность цифрового нивелира при работе с кодовой рейкой составляет 0,7 мм на 1 км двойного хода.
Электронный тахеометр — наиболее современный геодезический оптико-электронный прибор, позволяющий одновременно совмес тить функции электронного теодолита, лазерного высокоточного дальномера и полевого компьютера. «Тахеометр» в переводе с грече ского языка означает «быстроизмеряющий». Современный элек тронный тахеометр измеряет углы и расстояния до вехи или штатива с отражателем. С его помощью геодезист может один, без вспомога тельного рабочего, провести геодезическую съемку без полевых жур налов и, сбросив всю информацию на компьютер, провести ее обра ботку с помощью прикладных программ. Ряд узкоспециальных задач решаются непосредственно на месте с помощью встроенного кон троллера (микропроцессора-вычислителя), управляемого клавиату рой. Вместе с тем тахеометры не способны производить высокоточ ное нивелирование.
Современные тахеометры значительно различаются по своим техническим характеристикам и конструктивным особенностям в за висимости от ориентации на конкретного пользователя или сферу применения. Так, ряд моделей тахеометров представляют собой со вмещенную систему, объединяющую возможности тахеометра и спутникового приемника, принимающего сигналы глобальных нави гационных спутниковых систем (ГЛОНАСС) или GPS (Global Positioning System). Использование таких приборов в режиме статики (GPS-приемник находится на закрепленной точке с известными ко ординатами, а «мобильный» прибор перемещается по определенным точкам, производя измерения) позволяет получать координаты пунк тов с точностью до 1 м. Измерения при этом можно производить приемниками, находящимися на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга в любое время и в любую погоду. Такие пункты (точки), в свою очередь, используются как станции тахео метрической съемки. Подобные системы особенно эффективны при геодезической съемке магистральных нефте- и газопроводов в мест ностях со слабым геодезическим обеспечением (районы Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока).
5 - 6245
4. КАПИЛЛЯРНЫЙ КОНТРОЛЬ
Неразрушающий контроль проникающими веществами основан на проникновении веществ в полости дефектов контролируемого объекта. Контроль проникающими веществами, как вид неразру шающего контроля, в зависимости от типа выявляемых дефектов разделяют на два подвида:
•капиллярный — для выявления поверхностных дефектов;
•течеискание — для выявления сквозных дефектов. В свою оче редь капиллярный контроль и течеискание разделяют на методы в зависимости от вида первичного информативного параметра (типа проникающего вещества) и способа получения первичной информа ции (см. табл. 1.3).
В качестве проникающего вещества могут использоваться как жидкости, так и газы. Последние применяются в различных методах течеискания, основанных на законах термодинамики, акустики и др. Методы выявления дефектов с помощью жидких проникающих ве ществ используются как в течеискании, так и в капиллярном кон троле и основаны на таких физических явлениях при взаимодейст вии жидкости с твердыми телами, как смачивание, капиллярные
исорбционные явления.
4.1. Физическая сущность капиллярного контроля
Капиллярный контроль осуществляется путем нанесения жидких проникающих веществ, называемых пенетрантами, их проникнове ния в полости поверхностных и сквозных дефектов и регистрации образующихся на поверхности объекта контроля индикаторных сле дов. Важнейшим свойством пенетрантов является их способность к смачиванию материала объекта контроля. Явление смачивания вы зывается силами взаимного притяжения атомов или молекул жидко сти либо твердого тела. Молекулы, находящиеся внутри однородного вещества, испытывают одинаковое притяжение с разных сторон и находятся в состоянии равновесия. Молекулы, находящиеся на по верхности, испытывают разные притяжения с внутренней и наруж ной стороны, граничащей с поверхностью среды. Равновесие при этом достигается при минимуме свободной энергии молекул на по верхности. В связи с этим они стремятся приобрести форму с мини мальной наружной поверхностью. В твердом теле этому препятству ют явления упругости формы, а жидкость в невесомости под влия нием этого явления приобретает форму шара. Таким образом, поверхности жидкости и твердого тела стремятся сократиться и воз никают силы поверхностного натяжения [4].
Рис. 4.1. Смачивание (а) и несмачивание (б) поверхности твердого тела жидкостью
При контакте жидкости с твердым телом возможны два случая: смачивание и несмачивание поверхности (рис. 4.1). При смачивании жидкость растекается по поверхности, а при несмачивании собира ется в каплеобразную форму. При погружении капиллярной трубки в смачиваемую или несмачиваемую жидкость в трубке соответствен но образуется вогнутый или выпуклый мениск (рис. 4.2).
Рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твердого тела [3, 4]. Выделим на рис. 4.1 элементарный цилиндр в точке А, где соприкасаются твердое тело, жидкость и окружающий газ. На едини цу длины этого цилиндра действуют три силы поверхностного натя жения: твердое тело—газ Frn твердое тело—жидкость и жид кость-газ г. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодей ствующая проекций этих сил на поверхность твердого тела равна нулю:
F^cosQ + |
- FTr = 0; |
cos0 = (F„ - |
FrJ/F^ |
Угол 0 называют краевым углом смачивания.
Если FTr > F то угол 0 < 90°. Это значит, что жидкость смачи вает твердое тело (см. рис. 4.2, а): чем меньше 0, тем сильнее сма чивание. Предельный случай будет соответствовать полному сма чиванию, т. е. растеканию жидкости по всей поверхности твердого тела.
Рис. 4.2. Образование вогнутого (а) и выпук лого (б) менисков в капиллярной трубке, на
полненной соответственно смачивающей |
и |
несмачивающей жидкостями |
б |
+ 2 г » |
|
Если |
F > Frr, то cos© < 0, следова |
||
|
|
тельно, угол 0 |
> 90° (см. рис. 4.2, б). Это |
||
|
|
означает, |
что |
жидкость не смачивает |
|
L |
Л |
твердое тело. В пределе F^> Fп + |
что |
||
|
|
||||
|
|
соответствует полному несмачиванию. |
|||
= = |
|
Для |
большинства хорошо смачиваю |
||
|
|
|
|
|
|
щих веществ cos0 близок к единице. На пример, для границы стекла с водой cos0 = 0,685, с керосином cos0 = 0,90, с этиловым спиртом cos0 = 0,955.
Большое влияние на смачивание по верхности оказывает наличие загрязне ний. Например, слой масла на поверхно сти стали или стекла резко ухудшает сма чивание ее водой, и cos0 при этом становится отрицательным.
Разница сил iv и называется силой смачивания, действую щей на единицу длины поверхности:
FTT — FTjK— F^cosQ.
При попадании смачивающей жидкости в полости дефектов ма лых размеров жидкость под действием силы смачивания проникает внутрь этих полостей. В качестве примера рассмотрим капилляр ную трубку диаметром 2г, погруженную в смачивающую жидкость (рис. 4.3). Под действием сил смачивания жидкость в трубке образу ет вогнутый мениск и поднимается на некоторую высоту h над по верхностью. Суммарная сила смачивания, действующая на длине ок
ружности мениска, в состоянии равновесия уравновешивается весом столба жидкости:
/Vr cos0 2nr = pguFh,
где р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.
Оценим давление Р, создаваемое силой смачивания. Для этого разделим обе части равенства на площадь трубки:
п 2F cos0
Р = — — ----- |
= п?А |
отсюда
А = 2 f *r cos9 rpg
Таким образом, чем меньше радиус капилляра, тем больше ка пиллярное давление Р и высота подъема А.
68
Рис.4.4. Схемы проникновения жидкости в глубь тупиковой трещины (о) и проявления индикаторных следов дефектов (б)
Рассмотрим процесс проникновения смачивающей жидкости (пенетранта) в глубь тупиковой трещины [3, 13]. После пропитки объекта контроля и удаления излишков пенетранта с его поверхно сти в тупиковой трещине образуются два мениска (рис. 4.4): в устье радиусом гх и вблизи вершины трещины — радиусом гъ при этом Р2 > Р\. Разность давлений, вызванных различием гхи гъ составляет:
АР = Р2 - Р { = 2Fxrcos0(l/r2 - 1/г,).
Дальнейшему продвижению пенетранта в глубь трещины под действием АР препятствует давление сжатого воздуха в замкнутом объеме вблизи вершины трещины, уравновешивающее АР. Величина АР определяет чувствительность метода и возрастает с увеличением различия радиусов менисков гх и г2. Отсюда следует, что глубокие, расширяющиеся к устью дефекты будут выявляться лучше.
Смачивающие жидкости (пенетранты) заполняют узкие полости дефектов любой формы. Необходимым условием заполнения являет ся то, что размеры этих полостей должны быть настолько малы, что бы жидкость могла образовать мениск сплошной кривизны без пло ских участков.
Если на мениск, распложенный в устье трещины, наложить ка кое-нибудь пористое вещество, то он исчезнет, и вместо него образу ется система малых менисков различной формы и большой кривиз ны с малыми rh каждый из которых создает свое капиллярное давле
ние Pt. Равнодействующая АР = ^ /) созданных менисками /=i
капиллярных давлений существенно превышает давление Р2и дейст вует в противоположном ему направлении. Под действием суммы
давлений Р{ пенетрант из полости трещины поднимается на по- /=i
верхность контролируемого объекта, несколько расплываясь над де фектным участком и образуя так называемый индикаторный след. Угол зрения на трещину при этом увеличивается, и индикаторный след можно наблюдать невооруженным глазом или в лупу с неболь шим увеличением (рис. 4.4, б). Вещества, вытягивающие пенетран ты из полостей дефектов, называют проявителями. Здесь действуют явления сорбции, т. е. поглощения. Различают адсорбцию — поглоще ние вещества на границе разрыва фаз, и абсорбцию — поглощение вещества всем объемом поглотителя. Если сорбция происходит преимущественно в результате физического взаимодействия, то ее называют физической. Поглощение пенетранта на поверхности час тиц проявителя путем их смачивания — явление физической адсорб ции. Реже используется химическое взаимодействие пенетранта с веществом снаружи и внутри проявителя. Это явление химической абсорбции.
Индикаторные следы на контролируемой поверхности, образую щиеся в результате взаимодействия пенетранта и проявителя, опре деляют положение соответствующих дефектов. Для повышения визу ального восприятия в пенетрант вводят люминофоры, обладающие способностью люминесцировать при воздействии ультрафиолетового излучения, либо цветовые добавки, придающие индикаторному рисунку высокий яркостный и цветовой контраст по сравнению с фоном.
4.2. Классификация и особенности капиллярных методов
Капиллярные методы контроля предназначены для обнаружения невидимых или слабовидимых невооруженным глазом дефектов, вы ходящих на поверхность, и позволяют контролировать изделия лю бых форм и размеров, изготовленных как из металлических, так и неметаллических материалов. Имеют ограниченное применение для сварных швов, так как требуют предварительной механической обра ботки их поверхности с целью удаления чешуйчатости, брызг, окали ны и обеспечения плавных переходов между основным и наплавлен ным металлом. Капиллярный контроль в зависимости от типа про никающего вещества разделяют на контроль с помощью жидких проникающих растворов различного состава и контроль с примене нием фильтрующихся суспензий (см. табл. 1.3). По способу получе ния первичной информации (в зависимости от состава проникающе го раствора) выделяют яркостный, цветной, люминесцентный и лю минесцентно-цветной методы.
Яркостный (ахроматический) метод основан на регистрации контраста ахроматического индикаторного следа (рисунка) на п®' верхности контролируемого объекта в видимом излучении. Простей шим примером применения яркостного метода является мет°Д керо-
70